细说GNU/Linux系统的文件及文件系统 （1）

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细说GNU/Linux系统的文件及文件系统 （1）

发布时间: 2006-9-30 17:51　　作者: lyychees 　　信息来源: 赛迪网技术社区

这是我自己觉得写得比较好的一篇操作系统文章，而且可能对大家在Linux的使用中有帮助，所以贴上来。

GNU/Linux用户都知道，在*nix业界有一句话叫做“一切皆文件”，这是对 Linux文件系统的一个很好抽象，正规地，Linux的文件系统可以认为包括4种主要组成部分：名字空间（给事物取名，并按一种层次解构组织他们的形 式）、API（用来便利和操作对象的一套系统调用）、安全模型（用来保护，隐藏何共享事物的方案）、实现（把逻辑模型同实际硬件联系到一起的软件）。

Linux定义了一个抽象的内核级接口，能够容许集中不同的后端文件系统，文件 树的有些部分由传统的给予磁盘的实现来处理，其他部分则由内核中单独的驱动程序来负责。我们说“Linux中一切皆文件”直观地可以这样理解：所有的东 西，设备、内存都模拟成文件，我们可以把他分成5种文件类型，c 字符设备、b 块设备、l 连接、f 普通文件、d 目录。而Windows中，我们则可以极端地认为“一切皆设备”，所有文件都使用inode文件索引，inode文件索引是Linux文件系统的一大特 色，利弊都很明显，inode设计方便程序使用，能够提供各种功能的实现，但是同时inode本身也成为了一种限制（比如inode用完了就算还有物理空 间都不能再使用了），但是我们在使用mke2fs格式化文件系统的时候，可以通过参数-i来指定目标逻辑分区的inode数量，说到mke2fs就必然说 到linux传统的两种文件格式——ext2跟ext3，ext3跟ext2文件格式的不同，就是在于ext3是在ext2文件格式上加入了日值系统，于 是我们可以想到，我们可以不必改变文件格式的基础结构，在这两种方式间互相切换，我们可以很简单地使用mke2fs -j /dev/hda*来为ext2开启日志使之成ext3文件系统（反之，我们也可以通过关闭日志把它当作一个ext2文件系统来使用。），Linux的灵 活性还体现在我们甚至可以通过-J device=""来指定日志文件的存放位置，也就是说，我们可以把/dev/hda1的日志文件放在/dev/hda2上，ext3日志文件大小介于 1024到102400个文件系统块之间，在使用mke2fs -j格式化完成一个文件系统之后，我们可以通过df -h /dev/hda*整个命令来查看被格式化硬盘的状况，我们可以看到约有1%的空间被使用掉了。这就是为日志文件开辟的区域！

在发生文件系统操作的时候，所要求的修改首先写入日志，在完成日志更新之后，写 入一条“提交记录（commit record）”标记日志项的结束。只有这样以后，才对正规的文件系统做修改，如果发生了崩溃，可以用日志记录重构出完全相同的文件系统，除了ext3文 件系统，还有一种叫做ReiserFS的文件系统也被广泛地应用，它也是一种日志文件系统，但是这种文件系统没有针对系统（比如服务器）进行优化，可能会 碰到大量的同时读写现象。除了日志功能之外，Reiser还提供了一种模块化的文件系统接口，能让软件开发人员和系统管理员在非常细的粒度上指定应该怎样 处理和保护文件。

下面再详细地讲一下ext2跟ext3文件系统，ext2文件系统由5个部分构 成，一组索引结点（inode）存储单元，一组分散的“超级块（superblock）”，一组文件系统中磁盘块的映射表。一份磁盘块使用情况的汇总，最 后是数据块。每个文件系统都被分成若干个块簇，诸如inode表这样的结构在块簇之间进行分配，于是，要一起访问的若干磁盘块可以在硬盘上彼此保存得很靠 近。这种成簇机制减少了在访问同一个文件时需要搜索整个硬盘的情况，缩影结点是长度固定的表项，每个索引结点都保存着一个文件的信息，因为在Linxu初 始化文件系统的结构时，必须开辟出一块空间用来保存索引结点。也就是我前面说过的mke2fs -i来指定inode数量，但是一般情况下我们默认即可，superblock是一个描述文件系统特性的记录。它包括的信息有：磁盘块的长度，索引结点表 的大小和位置，磁盘块的映射表和使用信息，块簇大小，以及其他几个重要的文件系统的参数，因为superblock的如此重要，所以损坏超级块会对文件系 统造成很严重的后果，因此在硬盘上的分散位置（在每个块簇的起始处）保存有它的几个副本。Linux为每个已经安装的文件系统在内存中保存有一个超级块的 副本，又在硬盘上保存了几个副本，系统调用sync把被缓存的超级块flush到它们硬盘上的永久位置上，瞬间就让文件系统保持了一致性。sync也会 flush已经修改过的索引结点和被缓存的数据块，我们可以通过update命令启动守护进程bdflush，它每30s执行一次sync调用，将每次崩 溃，比如断电造成的数据损失降到最低。（我们都知道，Linux为了提高性能，一定程度上缓和磁盘读写速度瓶颈，采用了系统内存做磁盘缓存，一旦断电，缓 存中的数据将无法及时写入磁盘，造成损失。）文件系统的磁盘块映射表是它所包含的自由块的一张表。在写心文件的时候，就要检查这个映射表，设计一种有效的 布局方案。块的使用情况汇总记录了已经投入使用的块的基本信息。